JP4899484B2 - 有機物の処理方法および処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機物、特に有機物を含む廃棄物を燃料として有効利用を図るための有機物の処理方法および処理装置に関する。

廃棄物は、一般に単なる焼却や埋立て処分がなされていることが多い。近年、有機物を含む廃棄物を化石燃料の代替として有効利用する試みがなされている。例えば、特許文献１には可燃性廃棄物を乾留して得られた乾留ガスをセメント原料の仮焼を行なう燃料として使用する方法が記載されている。
特開平１１−２９２５８０号公報

ところが、水分が多く夾雑物を含む有機物を含む廃棄物を処理する場合は、燃料として使用される設備の安定操業を阻害する場合がある。また、乾留する際に発生する粘性液状有機物であるタールは配管の閉塞や下流設備の汚染という問題を引き起こす場合がある。

本発明は、上記の従来技術が有する問題点を解決し、大量の有機物を含む廃棄物を安定的に処理するための工業的に優れた有機物の処理方法および処理設備を提供することを目的とする。

本発明は、有機物を加熱して炭化物と発生ガスを得て、発生ガスは部分燃焼を行い、前記炭化物と部分燃焼により得られた可燃性ガスとを燃焼設備に供給することを特徴とする有機物の処理方法である。
また、有機物を炭化するための炭化炉と、炭化炉において発生する発生ガスを部分燃焼するための部分燃焼炉と、炭化炉で生成した炭化物と部分燃焼炉において生成した可燃性ガスを燃料として利用する燃焼設備とを備えた有機物の処理装置である。

本発明によれば、揮発分の割合を減じ、固定炭素の割合を向上させた燃料を得ることが可能となる。また、タール及び塩化水素を効果的に処理することができる。これにより、燃焼設備の安定操業を阻害することなく、有機物を含む廃棄物を化石燃料の代替燃料として大量に安定的に有効利用することが可能となる。

本発明において用いられる有機物としては、間伐材、建設廃棄物中の木くず、コーヒー粕、茶粕などのバイオマス、ポリエチレンやポリエチレンテレフタレートなどを含有する廃プラスチック類、これらの雑多な混合物が挙げられる。有機物には、無機物が含まれていてもよい。
有機物の中に金属等の異物が混入している場合には、予め磁選機等で異物を除去することが好ましい。また、有機物の水分の含有量が多い場合には、予め乾燥することが好ましい。
有機物の大きさは、篩下１００ミリ以下、好ましくは５０ミリ以下である。有機物が大きい場合は、予め破砕機によって破砕することが好ましい。
以上により、後工程に運転障害を引き起こすことがない被処理物を得ることができる。

次に、有機物を加熱する工程について説明する。加熱温度は、２００から６００℃、好ましくは３００から５００℃、より好ましくは４００から５００℃である。また、加熱時間は、３０から１２０分、好ましくは６０から９０分である。さらに、加熱雰囲気中の酸素濃度は、１０容量％以下、好ましくは１容量％以下である。この結果、炭化物と発生ガスを得る。
ここで、本発明における炭化物とは、加熱によって得られる固定炭素の割合が炭化前の有機物よりも高い固形物をいう。例えば、炭化前の有機物に含まれる揮発分が重量ベースで１０分の１〜２分の１に減少し、固定炭素が重量ベースで２〜４倍に増加したものが挙げられる。炭化物の組成としては、例えば炭素が５から９０重量％、水素が０．１から５．０重量％、酸素が５から２０重量％のものが挙げられる。
また、発生ガスとは、水素、一酸化炭素、炭化水素類などを含有する可燃性ガスをいう。例えば、水素が１〜１０容量％、一酸化炭素が１〜２０容量％、二酸化炭素が１〜４０容量％、メタンが５〜２０容量％、その他炭素数が２以上の炭化水素及び水蒸気からなる混合ガスが挙げられる。
以上により、石炭や天然ガスの代替燃料を得ることができる。

次に加熱により得られた発生ガスの部分燃焼を行なう。本発明でいう部分燃焼とは、理論酸素量以下の酸素量で被燃焼物を燃焼させることをいう。部分燃焼の温度は、８００℃以上、好ましくは１，０００℃以上である。部分燃焼用のガスは、酸素を含有するガスが挙げられる。具体例としては、純酸素、空気、二酸化炭素や窒素に酸素を混合したガスが挙げられる。さらに、後述する燃焼設備において発生する高温ガスを用いることも可能である。部分燃焼雰囲気中の酸素濃度は、０．１容量％以下に制御される。また、発生ガスの滞留時間は３から５秒である。
部分燃焼により、トルエン、ナフタレンなどの芳香族や高級パラフィン、高級オレフィン、高級ナフテン等からなるタールが分解され水素、一酸化炭素、メタン等を含むクリーンな可燃性ガスを得ることができる。可燃性ガスの組成としては、水素２０〜２５容量％、一酸化炭素が１０〜２０容量％、二酸化炭素が５〜１０容量％、メタンが１〜１０容量％、窒素が１〜４０容量％、水蒸気が２０〜４０容量％からなる混合ガスが挙げられる。部分燃焼後の可燃性ガスは、水により１１００℃から例えば１１０℃まで急冷される。

次に、炭化物と部分燃焼により得られた可燃性ガスは燃焼設備に供給される。本発明において使用される燃焼設備とは、従来石炭を燃料として使用している設備である。燃焼設備の具体例としては、セメント製造設備、発電用設備およびガス化設備のうち少なくとも１つが挙げられる。例えば、セメント製造設備において、炭化物と可燃性ガスは、ロータリーキルンの窯前や仮焼炉に供給される。
その際、炭化物は従来ロータリーキルンの窯前や仮焼炉に供給されている石炭とともに予め混合粉砕を行い、ロータリーキルンの窯前や仮焼炉に供給することが好ましい。
一方、可燃性ガスは仮焼炉に供給されるクリンカクーラ抽気ガスに混合して仮焼炉に供給することが好ましい。石炭の一部を炭化物で代替する場合、石炭と炭化物の供給割合は、重量比で１０対１程度である。

部分燃焼によって得られた可燃性ガスを燃焼設備に供給する前に、予めアルカリ水で洗浄することが好ましい。これにより、可燃性ガスに含まれる未燃炭素が回収される。また、可燃性ガスに含まれる塩化水素ガス等の酸性ガス成分を中和し、塩化物として回収することができる。また、酸性ガスによる燃焼設備の腐食を防止することができる。アルカリ水としては、苛性ソーダ水溶液やアンモニア水が挙げられる。洗浄液は循環することにより繰り返し使用される。可燃性ガスとアルカリ水溶液の接触時間は、５秒程度である。アルカリ水で洗浄した後の可燃性ガスの温度は、９０から１１０℃となる。

その後、アルカリ水で洗浄した後の可燃性ガスに同伴する微量のタールミストを除去する。タールミストを除去するための方法としては、デミスターが挙げられる。これによって、タールに起因する装置や配管の閉塞を防止することが可能となり、安定操業に寄与することができる。

前記可燃性ガスをアルカリ水で洗浄した後の洗浄液を固液分離する。固液分離の温度は大気温度である。洗浄液の温度が高い場合、洗浄液は固液分離装置に供給する前にシェルアンドチューブ式の熱交換器によって予め冷却される。固液分離のための滞留時間は、１２０分程度である。固液分離した後の微粒炭化物、すす、金属水酸化物等を含む固形分は、前記燃焼設備に供給される。これにより、固形分を燃焼として更に有効利用することが可能となる。固形分は、燃焼設備に供給する前に遠心分離機またはろ過機によって、同伴する水が除去されることが好ましい。また、固形分は燃焼設備に供給される前に石炭と混合され、スラリーポンプやコンベアなどの供給手段によって燃焼設備に供給することもできる。

一方、固液分離した後の液相は、前記部分燃焼によって得られた可燃性ガスを洗浄するための洗浄水として循環使用される他、その一部はろ過や活性炭処理、重金属処理が施される。

有機物を加熱することにより得られる炭化物から、同伴する不燃物が除去される。不燃物を除去する方法としては、振動篩、磁選機、非鉄金属除去装置などが挙げられる。不燃物が除去された後の炭化物は、燃焼設備に供給される。これにより、燃焼設備に異物を混入させることなく燃焼設備の安定操業を行なうことが可能となる。

炭化物から除去された不燃物は、洗浄することが好ましい。洗浄方法としては、不燃物を水中に浸漬する方法や不燃物の上部から水をシャワリングする方法が挙げられる。これにより、不燃物に付着した炭化物を有効に回収することができる。炭化物を含む洗浄液は、前述した固液分離装置に供給される。固液分離した後の固形分は、燃焼設備に供給される。一方、洗浄された後の不燃分は産業廃棄物として処理される。

前記燃焼設備において発生する３００から８００℃の高温ガスは、有機物を加熱して炭化物と発生ガスを得るための加熱源として、また部分燃焼用のガス源もしくは加熱源として使用することができる。燃焼設備において発生する高温ガスの具体例としては、セメント製造装置においては、クリンカクーラ出口排ガス（３００から８００℃）やサイクロンプレヒーター排ガス（３００から４００℃）等が挙げられる。高温ガスの種類、温度および供給量は、炭化と部分燃焼における所望の温度に従って適宜選択される。有機物を加熱する加熱源として使用する場合は、間接加熱方式であることが好ましい。

部分燃焼において、発熱量が６．３ＭＪ／Ｎｍ３以上の高カロリーの可燃性ガスを得るためには、部分燃焼用ガスとして酸素を用い、その酸素の加熱源として燃焼設備において発生する高温ガスを用いる。一方、発熱量が６．３ＭＪ／Ｎｍ３未満の低カロリーの可燃性ガスを得るためには、部分燃焼用ガスとして高温ガスをそのまま用いることができる。有機物を加熱するための間接加熱源として使用された高温ガスは、再び燃焼設備に回収される。これにより、炭化から燃焼設備に至る一連のシステム全体において、熱効率をより一層高めることができる。

次に、有機物の処理装置について説明する。有機物を加熱することにより炭化物と発生ガスを得るための炭化炉としては、回転式の炭化炉が挙げられる。炭化炉は、その両側に有機物を供給するための供給口と、炭化物と発生ガスを排出するための排出口を有する。有機物は、炭化炉内において徐々に昇温され、所定の温度で熱分解される。また、炭化炉はジャケット式になっており、前述したとおり間接加熱用に燃焼設備からの高温ガスが供給される供給口と排出口を有する。有機物と間接加熱用の高温ガスは、向流により熱の授受がなされる。すなわち、有機物の供給側と高温ガスの排出側、炭化物と発生ガスの排出側と高温ガスの供給口がそれぞれ近隣に配される構造となっている。

次に、炭化炉において発生する発生ガスを部分燃焼するための部分燃焼炉について説明する。部分燃焼炉は、発生ガスを部分燃焼炉に供給するための供給口と、部分燃焼用ガスを供給するための供給口と、部分燃焼した後の可燃性ガスを排出するための排出口からなる。発生ガスを部分燃焼炉に供給するための供給口は、部分燃焼炉の側面上部または頂部に設けられる。供給口が部分燃焼炉の側面上部の場合、発生ガスは部分燃焼炉内において旋回流を形成する。一方、供給口が部分燃焼炉の頂部の場合、発生ガスは部分燃焼炉内において鉛直下向きに噴出される。
部分燃焼用ガスを供給するための供給口は、部分燃焼炉側面に設けられる。部分燃焼用ガスは部分燃焼炉内において旋回流を形成する。部分燃焼用ガスを供給するための供給口は、垂直方向に複数設けることができる。これにより、部分燃焼用ガスを分注する結果、発生ガスと部分燃焼用ガスとの良好な接触を図ることができる。

部分燃焼炉において得られた可燃性ガスと、炭化炉において得られた炭化物は、燃焼設備において燃料として使用される。燃焼設備の具体例としては、セメント製造設備、発電用設備およびガス化設備のうち少なくとも１つが挙げられる。

部分燃焼炉において得られた可燃性ガスは、燃焼設備に供給する前に水が貯留されている急冷ポットに導入し冷却することもできる。急冷ポットは、可燃性ガスを急冷ポットに供給するための供給口と、冷却後の可燃性ガスを排出するための排出口と、冷却水を排出し循環使用するための排出口を備える。部分燃焼炉からの可燃性ガスの排出口と急冷ポットの供給口が連結管によって接続されている。連結管の内壁は濡れ壁となっており、連結管内壁が異常に高温になることを防止している。また、連結管の先端は急冷ポットに貯留されている水に直接没入されている。
冷却後の可燃性ガスを排出するための排出口は、急冷ポットの水面よりも上に設けられている。これにより、部分燃焼炉からの可燃性ガスは、水と直接接触することにより急冷される。急冷された可燃性ガスは、次工程の洗浄塔に導かれる。

可燃性ガスを洗浄するための洗浄塔としては、スプレー塔が挙げられる。洗浄塔は、可燃性ガスを供給するための供給口と、洗浄後の可燃性ガスを排出するための排出口と、洗浄液をスプレーするための供給口と、洗浄液を排出し循環して使用するための排出口からなる。スプレーノズルは洗浄塔の側面に多段に設けられている。また、洗浄後の可燃性ガスを排出するための排出口は、洗浄塔の頂部に設けられている。可燃性ガスは、スプレーノズルから供給されたアルカリ水と向流接触される。これにより、可燃性ガスに含まれる未燃炭素および塩化水素が補足される。洗浄液は洗浄塔の底部に設けられている排出口から排出される。排出された洗浄液は、一部を固液分離装置に供給され、残りはスプレーノズルに循環使用される。

洗浄後の可燃性ガスに同伴するタールミストを除去するための除去装置について説明する。円筒型の槽の側面には、洗浄されたガスを供給するための供給口を有する。供給口には邪魔板が設けられており、ガスがショートパスすることを防止する構造となっている。
槽の上部には、タールミストを除去するためのデミスターが配置されている。槽の頂部には、ガスの出口が設けられている。槽の底部には、タールミストを排出するための排出口が設けられている。排出口と前記洗浄塔は配管で接続されており、タールが洗浄塔に返送される。

前記洗浄塔から排出された洗浄液を固液分離するための固液分離装置としては、シックナーが挙げられる。上部側面には液相を溢流させるための溢流管が設けられている。底部には固形分を排出するための排出口が設けられている。抜き出された固形分は、燃焼設備に供給される。尚、固液分離装置によって抜き出された固形分は、燃焼設備に供給される前に抜き出しポンプによって遠心分離機もしくはろ過機に供給され、固形分の水分をさらに除去することも可能である。

次に炭化炉において得られた炭化物は、燃焼設備に供給される前に、不燃物除去装置に供給することができる。不燃物除去装置としては、振動篩、磁選機、非鉄金属除去装置が挙げられる。不燃物除去装置において、鉄やアルミニウムなどの不燃物が除去される。尚、不燃物除去装置に供給する前に炭化炉から排出された炭化物を炭化物クーラーで冷却することもできる。炭化物クーラーとしては間接冷却式が挙げられる。

不燃物除去装置によって除去された不燃物は、洗浄装置に供給され、不燃物の表面に付着している炭化物を洗浄液とともに回収することができる。洗浄装置としては、水を貯留した攪拌機付きの槽や、受け皿に貯留された炭化物に対して、上部から水を均一にスプレーする装置などが挙げられる。炭化物を含む洗浄液は、前述の固液分離装置にポンプによって送液される。

本発明は、有機物を含む廃棄物を石炭の代替燃料として有効利用する際に利用可能である。

Claims (11)

1. 有機物を加熱して炭化物と発生ガスを得て、発生ガスは部分燃焼を行い、前記炭化物と部分燃焼により得られた可燃性ガスとを燃焼設備に供給する有機物の処理方法であって、
   前記可燃性ガスをアルカリ水で洗浄し、前記燃焼設備に供給し、
   アルカリ水で洗浄した後の洗浄液を固液分離装置に供給し、固液分離した後の固形分を前記燃焼設備に供給し、
   前記炭化物に同伴する不燃物を除去した後の炭化物を前記燃焼設備に供給し、
   除去された前記不燃物を洗浄し、前記洗浄液を前記固液分離装置に供給する
   ことを特徴とする有機物の処理方法。
2. 前記燃焼設備は、セメント製造設備、発電用設備およびガス化設備のうち少なくとも１つである請求項１記載の有機物の処理方法。
3. 前記アルカリ水で洗浄した後の前記可燃性ガスに同伴するタールミストを除去する請求項１または２記載の有機物の処理方法。
4. 前記燃焼設備において発生する高温ガスを前記有機物の加熱源とする請求項１から３のいずれか１項に記載の有機物の処理方法。
5. 前記燃焼設備において発生する高温ガスを前記部分燃焼用のガスに利用する請求項１から４のいずれか１項記載の有機物の処理方法。
6. 前記有機物は、バイオマス、廃プラスチックまたはその混合物である請求項１から５のいずれか１項記載の有機物の処理方法。
7. 前記アルカリ水で洗浄した後の前記洗浄液を前記固液分離装置に供給し、固液分離した後の液相を、前記可燃性ガスを洗浄するための洗浄水として使用する請求項１から６のいずれか１項記載の有機物の処理方法。
8. 前記セメント製造設備は、ロータリーキルンの窯前または仮焼炉である請求項２から７のいずれか１項記載の有機物の処理方法。
9. 前記炭化物を前記ロータリーキルンの窯前または仮焼炉に供給し、前記可燃性ガスを仮焼炉に供給する請求項８記載の有機物の処理方法。
10. 有機物を炭化するための炭化炉と、炭化炉において発生する発生ガスを部分燃焼するための部分燃焼炉と、炭化炉で生成した炭化物と部分燃焼炉において生成した可燃性ガスを燃料として利用する燃焼設備と、
    前記可燃性ガスをアルカリ水で洗浄するための洗浄塔と、
    前記洗浄塔から排出された処理液を固液分離するための固液分離装置を有し、固形分を前記燃焼設備に供給するための供給手段と、
    を備え、
    前記炭化物に同伴する不燃物を除去するための不燃物除去装置と、前記不燃物を洗浄する洗浄装置と、洗浄液を前記固液分離装置に供給する供給手段と
    を備えた有機物の処理装置。
11. 洗浄後の前記可燃性ガスに同伴するタールミストを除去するための除去装置をさらに備えた請求項１０記載の有機物の処理装置。